一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法

1.本发明涉及黑土区水土保持配置知识科普和技术推广的技术领域，具体来说，涉及一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法。

背景技术：

2.由于自然和人为因素的共同作用，东北黑土区土壤侵蚀严重，导致黑土区土壤养分流失，土壤肥力下降，从而导致生态环境恶化。黑土区降雨集中在夏季，以暴雨为主，因此，夏季多以降雨径流侵蚀为主，此外，还有风力侵蚀、融雪侵蚀和冻融侵蚀；其次是黑土区地形因素，分为黑土漫川漫岗区、丘陵沟壑区、农牧交错区，增加了土壤侵蚀类型的复杂性；再次是不合理的人为因素，如过度开垦、过度施肥和使用农药等；最后，黑土区农民缺乏水土保持配置知识和土壤科学管理理念，迫切需要对其进行水土保持配置知识的科普和技术推广。然而，目前这种抽象的知识科普和技术推广的工具缺乏，导致科普和推广效果较差和效率低下。

技术实现要素：

3.针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，能够解决上述问题。
4.为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
5.一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，包括以下步骤：
6.s1、知识存储模块的构建，首先确定知识源，对知识进行采集，其次要对知识进行梳理，构建黑土侵蚀场景，根据水土保持措施适宜的侵蚀场景类型，对水土保持措施名称及其相关属性进行标记、分类和整理，最后对梳理好的知识进行存储；
7.s2、知识表达模块的构建，首先要对知识进行抽取，为知识图谱的构建提供了原始素材和内容，其次要对不同黑土区水土保持措施配置知识进行融合，将水土保持措施配置的隐性知识明示化，最后对知识进行表达，采用实体-关系-实体、实体-属性、条件[条件-[条件]
‑…
]-实体的形式进行知识表达；
[0008]
s3、知识推理模块的构建，首先要对推理的事件进行知识抽取，形成知识多维事件向量a，其次基于地理学第三定律，采用模糊相似概念，进行知识的匹配和推理，并基于余弦相似度算法计算向量a和与之匹配的向量b之间的相似度；最后将计算得到的相似度与给定的相似度阀值进行比较，判断出向量a与向量b之间的相似关系。
[0009]
s4、知识展示模块的构建，采用图匹配方法进行知识图谱的可视化展示，在可视化界面中，以圆形表示节点，实线表示关系。
[0010]
进一步的，所述s1中对知识进行采集包括收集和梳理分析不同黑土区坡面尺度水土保持措施类型、措施名称、描述、空间适宜性、措施的实施效果、适宜的侵蚀场景、措施成本相关属性数据。
[0011]
进一步的，黑土区包括黑土漫川漫岗区、丘陵沟壑区、农牧交错区；空间适宜性包
括适宜坡度、适宜坡位、土地利用类型，其中适宜坡位包括山脊、上坡、中坡、下坡、和山谷，适宜坡度包括平坡、缓坡和陡坡，土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、城镇(工程)用地；措施的实施效果包括节水效果、减沙效果、土壤改良。
[0012]
进一步的，所述s1中的黑土侵蚀场景包括水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀，根据水土保持措施适宜的侵蚀场景类型，筛选可优先选择的潜在措施及其配置规则，其中配置规则包括如下步骤：首先按照适宜坡位进行划分，得到第一级区域划分；其次按照坡度进行划分，将适宜坡位的类型区域按照坡度进行划分，得到第二级区域划分；然后按照土地利用类型进行划分，将第二级区域划分再按照土地利用类型进行划分得到第三级区域划分；最后基于侵蚀场景
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适宜坡位-适宜坡度-土地利用类型-措施适宜性的属性进行规则化配置。
[0013]
进一步的，所述s2中的实体包括措施类型、侵蚀场景、空间位置、时间尺度；所述s2中的关系包括属于、适用于、包含；所述s2中的属性包括水土保持措施属性、侵蚀场景属性、空间位置属性、时间尺度属性；所述s2中的条件包括：大于、等于、小于、包含。
[0014]
进一步的，所述s3中的余弦相似度算法的公式为：
[0015][0016]
其中a表示多维事件向量a(x1，y1，z1)，b表示多维事件向量b(x
2，
y2，z2)； xi、yi、zi(i＝1或2)为对推理事件抽取的知识，该知识包括实体、属性、关系。
[0017]
进一步的，所述s4中的节点包括实体、属性、条件。
[0018]
本发明的有益效果：通过本技术可将黑土区水土保持配置知识形成知识图谱，知识图谱是对相关抽象概念和信息的可视化展示，通过检索土壤侵蚀的某个时空场景，获得与水土保持措施、与该场景之间的关联、措施配置前后的效益变化或环境变化，及农民自身经济利益挂钩，从而为水土保持配置知识的科普和技术推广提供工具支撑。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
[0021]
图1是本发明实施例所述的漫川漫岗区水土保持措施的图表；
[0022]
图2是本发明实施例所述的丘陵沟壑区水土保持措施的图表；
[0023]
图3是本发明实施例所述的农牧交错区水土保持措施的图表；
[0024]
图4是本发明实施例所述的黑土坡面尺度水土保持措施空间配置规则构建流程图；
[0025]
图5是本发明实施例所述的黑土区坡面尺度水土保持措施空间配置知识图谱的构建及应用的示意图；
[0026]
图6是本发明实施例所述的水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀为主型的水土保持措施关系示意图；
[0027]
图7是本发明实施例所述的黑土区坡面尺度水土保持措施空间配置布设图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
根据本发明实施例所述的一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，主要包括知识存储模块、知识表达模块、知识推理模块、知识展示模块，其中知识存储模块包含知识采集、知识梳理(场景构建)、知识存储；知识表达模块包含知识抽取、知识融合、知识表达；知识推理模块基于地理学第三定律，地理环境越相似，地理特征越相近，采用模糊相似概念，进行知识的匹配和推理；知识展示模块对知识库中的所有知识以及推理结果以图的形式进行展示。
[0030]
本发明中的一个实施例中，在知识存储模块的构建过程中知识源的确定很重要，黑土区坡面尺度水土保持措施空间配置知识源识别是知识抽取的基础，明确结构化数据、半结构化、非结构化数据来源对构建知识图谱是相当重要的阶段。本技术以黑土漫川漫岗区、丘陵沟壑区、农牧交错区坡面尺度水土保持措施类型为例，知识来源如下：现有的黑土区坡面尺度水土保持措施属性相关数据、进行规则化后的措施配置规则、领域专家的专业经验(这部分知识隐晦难以具体化，但可以在模型评估阶段给予指导意见)、黑土区坡面尺度水土保持措施配置的相关文献或案例等等。在这个阶段中，与领域专家共同合作，确定知识来源和分析水保措施的特征要素、适用场景等。
[0031]
在知识存储模块的构建过程中，对知识采集即收集和梳理分析黑土漫川漫岗区、丘陵沟壑区、农牧交错区坡面尺度水土保持措施类型、名称、描述、空间适宜性(适宜坡度、适宜坡位、土地利用类型)，以及措施的实施效果(节水效果、减沙效果、土壤改良等)、适宜侵蚀场景、措施成本等相关属性数据，如下表：
[0032]
表1黑土区坡面尺度水土保持措施属性表
[0033][0034]
其中：坡度中，1表示平坡、2表示缓坡、3表示陡坡；适宜坡位中，1代表山脊、2代表上坡、3代表中坡、4代表下坡、5代表山谷；节水效果与减沙效果中，1表示无、2表示弱、3表示中等、4表示强。
[0035]
在知识采集完毕后，要对知识进行梳理，构建黑土侵蚀场景，分为：水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀。根据水土保持措施适宜的侵蚀场景类型，对水土保持措施名称及其相关属性进行标记、分类和整理，如图1-3所示，已经收集到黑土漫川漫岗区15种水土保持措施，丘陵沟壑区11种水土保持措施、农牧交错区11种水土保持措施，及其上述属性数据。在构建黑土侵蚀场景过程中根据水土保持措施适宜的侵蚀场景类型，筛选可优先选择的潜在措施及其配置规则，其配置规则库：按照“适宜坡位-适宜坡度-土地利用类型”组合进行空间离散化。根据黑土区地貌特征以坡位类型描述，坡位类型区域包括以下的至少一种：山脊、上坡、中坡、下坡、和山谷；坡度类型区域包括以下的至少一种：平坡、缓坡和陡坡；土地利用类型区域包括以下的至少一种：耕地、林地、草地、水域、城镇(工程)用地、未利用土地。划分步骤为：首先坡位划分：按照坡位进行划分，得到第一级区域划分；其次坡度划分：将至少一种所述的坡位类型区域按照坡度进行划分，得到第二级区域划分；然后土地利用类型划分：将第二级区域划分再按照土地利用类型进行划分，得到第三级区域划分。按上述三级区域划分
方法研究出划分的“坡位-坡度-土地利用”组合类型。如图4所示，最后基于“侵蚀场景-适宜坡位-适宜坡度-土地利用类型-措施适宜性”属性进行规则化配置。最终在对梳理好的知识进行存储时，以关系数据库表格的形式进行存储。
[0036]
本发明中的一个实施例中，对于知识表达模块的构建，首先要对知识进行抽取，主要包括：命名实体识别，关系(或水土保持措施属性)抽取、事件 (或侵蚀场景)抽取。在知识抽取的基础之上更加深入地发现隐含知识的过程，是知识图谱建模的关键步骤，为知识图谱的构建提供了原始素材和内容；其次要对不同黑土区(黑土漫川漫岗区、丘陵沟壑区、农牧交错区)水土保持措施配置知识进行融合(在知识源确定和知识抽取的基础上，已经获得了构建知识图谱所需的领域知识，包括措施属性和配置术语、规则及实例等，在此阶段中利用本体技术将这些知识进行语义表达。其中，措施属性和配置术语使用网络本体语言owl进行描述，明确定义措施知识的类、属性和实例；规则使用语义网规则语言swrl描述，支持智能推理。经过语义表达的知识图谱通过neo4j知识库进行存储和管理)，将水土保持措施配置的隐性知识明示化，即“措施-属性-适宜性(条件)-侵蚀场景”等知识、案例的显示标注，同时大大简化了后期知识表达过程；最后对知识进行表达，采用(实体-关系-实体)、 (实体-属性)、(条件[条件-[条件]
‑…
]-实体)等形式，进行知识表达。其中实体包括：措施类型、侵蚀场景、空间位置、时间尺度等信息；关系包括：属于、适用于、包含等信息；属性包括：水土保持措施属性、侵蚀场景属性、空间位置属性、时间尺度属性等信息；条件包括：大于、等于、小于、包含等逻辑信息。
[0037]
本发明中的一个实施例中，在知识推理模块的构建中，首先要对推理的事件(用户提出的问题)进行实体、属性、关系等知识抽取，形成实体、属性、关系等多维事件向量，例如事件向量a(x1，y1，z1，
…
)；其次，基于地理学第三定律，地理环境越相似，地理特征越相近，采用模糊相似概念，设向量 a(x1，y1，z1)、向量b(x2，y2，z2)表示两个事件，采用余弦相似度算法计算向量a和向量b之间的相似度，计算公式如下：
[0038][0039]
夹角余弦取值范围为[-1，1]，夹角余弦越大表示两个向量的夹角越小，夹角余弦越小表示两向量的夹角越大，当两个向量的方向重合时夹角余弦取最大值 1，也就是两个向量越相似，对应两个bmps之间的相似度f越大，反之亦然，最后，基于专家给定的相似度阈值，如0.5，如果两个事件向量的相似度大于该阈值，那么判定两个事件向量相似，在事件向量a的关系，适用于向量b，反之亦然；如果在知识库中搜索不到大于该阈值的事件向量，则判定为无相似的事件向量。基于上述假设，用户提出的问题事件a，如查询措施配置的问题，则事件向量b的措施配置情景和方案，适用于问题事件a，即为问题的答案，否则没有到问题的答案。
[0040]
本发明中的一个实施例中，如图5-7所示，本技术可采用neo4j desktop 软件实现知识图谱的可视化展示，例如，适合水力侵蚀、风力侵蚀、融雪侵蚀和冻融侵蚀为主型的黑土区坡面尺度水土保持措施关系，可供用户查询和显示，知识图谱的可视化展示采用图匹配方法，图匹配方法是以搜索匹配为基础的逻辑运算，只要符合本知识图谱中存储的知识、知识推理结果，都以图的方式进行展示。在可视化界面中，以圆形表示节点(实体、属性、条件等)，实线表示关系(属于、适用于、包含等信息)。
[0041]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、知识存储模块的构建，首先确定知识源，对知识进行采集，其次要对知识进行梳理，构建黑土侵蚀场景，根据水土保持措施适宜的侵蚀场景类型，对水土保持措施名称及其相关属性进行标记、分类和整理，最后对梳理好的知识进行存储；s2、知识表达模块的构建，首先要对知识进行抽取，为知识图谱的构建提供了原始素材和内容，其次要对不同黑土区水土保持措施配置知识进行融合，将水土保持措施配置的隐性知识明示化，最后对知识进行表达，采用实体-关系-实体、实体-属性、条件[条件-[条件]
‑…
]-实体的形式进行知识表达；s3、知识推理模块的构建，首先要对推理的事件进行知识抽取，形成知识多维事件向量a，其次基于地理学第三定律，采用模糊相似概念，进行知识的匹配和推理，并基于余弦相似度算法计算向量a和与之匹配的向量b之间的相似度；最后将计算得到的相似度与给定的相似度阀值进行比较，判断出向量a与向量b之间的相似关系；s4、知识展示模块的构建，采用图匹配方法进行知识图谱的可视化展示，在可视化界面中，以圆形表示节点，实线表示关系。2.根据权利要求1所述的一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，其特征在于，所述s1中对知识进行采集包括收集和梳理分析不同黑土区坡面尺度水土保持措施类型、措施名称、描述、空间适宜性、措施的实施效果、适宜的侵蚀场景、措施成本相关属性数据。3.根据权利要求2所述的一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，其特征在于，黑土区包括黑土漫川漫岗区、丘陵沟壑区、农牧交错区；空间适宜性包括适宜坡度、适宜坡位、土地利用类型，其中适宜坡位包括山脊、上坡、中坡、下坡、和山谷，适宜坡度包括平坡、缓坡和陡坡，土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、城镇用地；措施的实施效果包括节水效果、减沙效果、土壤改良。4.根据权利要求3所述的一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，其特征在于，所述s1中的黑土侵蚀场景包括水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀，根据水土保持措施适宜的侵蚀场景类型，筛选可优先选择的潜在措施及其配置规则，其中配置规则包括如下步骤：首先按照适宜坡位进行划分，得到第一级区域划分；其次按照坡度进行划分，将适宜坡位的类型区域按照坡度进行划分，得到第二级区域划分；然后按照土地利用类型进行划分，将第二级区域划分再按照土地利用类型进行划分得到第三级区域划分；最后基于侵蚀场景-适宜坡位-适宜坡度-土地利用类型-措施适宜性的属性进行规则化配置。5.根据权利要求1所述的一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，其特征在于，所述s2中的实体包括措施类型、侵蚀场景、空间位置、时间尺度；所述s2中的关系包括属于、适用于、包含；所述s2中的属性包括水土保持措施属性、侵蚀场景属性、空间位置属性、时间尺度属性；所述s2中的条件包括：大于、等于、小于、包含。6.根据权利要求5所述的一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，其特征在于，所述s3中的余弦相似度算法的公式为：
其中a表示多维事件向量a(x1，y1，z1)，b表示多维事件向量b(x2，y2，z2)；x
i
、y
i
、z
i
(i＝1或2)为对推理事件抽取的知识，该知识包括实体、属性、关系。7.根据权利要求6所述的一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，其特征在于，所述s4中的节点包括实体、属性、条件。

技术总结

本发明公开了一种黑土区水土保持措施配置知识图谱的构建方法，包括如下步骤：S1、知识存储模块的构建；S2、知识表达模块的构建；S3、知识推理模块的构建；S4、知识展示模块的构建。通过本申请可将黑土区水土保持配置知识形成知识图谱，知识图谱是对相关抽象概念和信息的可视化展示，通过检索土壤侵蚀的某个时空场景，获得与水土保持措施、与该场景之间的关联、措施配置前后的效益变化或环境变化，及农民自身经济利益挂钩，从而为水土保持配置知识的科普和技术推广提供工具支撑。普和技术推广提供工具支撑。